大口徑蝶閥在水庫引水中的應用經驗探討

尹成志

(新疆吐魯番市高昌區(qū)煤窯溝水庫建設管理局，新疆 吐魯番 838000)

1 概況

采用蝶閥作為控制設備，是管道工程普遍采用的一種方法。蝶閥是關閉和調節(jié)流體通道的一種閥門，主要是用圓形板件作啟閉件，90度往復回轉來實現(xiàn)閥門的開啟與關閉，其優(yōu)點是結構簡單、重量輕、體積小、耗材少、投資小等特點；在大口徑閥門中性價比較高；缺點是流量調節(jié)范圍不大，當開啟達40%時，可進流量95%以上，難以實現(xiàn)流量的精確調節(jié)；開度45%以下時，流阻和氣蝕明顯增加。由于蝶閥密封材料的限制導致結構的不同，在高溫，高壓的管路系統(tǒng)中，不適宜用此蝶閥，通常在300℃以及40 MPa莊力下可以正常的工作。目前，在輕工、冶金、電力、油化工系統(tǒng)的煤氣管道及水道等方面，蝶閥的使用率很大。

某水庫工程總庫容980萬 m3，其中防洪庫容200萬 m3，興利庫容580萬 m3，死庫容200萬 m3，引水涵洞設計為豎井式引水涵洞，整個涵洞由進口段、閘前洞身段、閘井段、閘后洞身段、分水站房、消力池組成，涵洞采用外包鋼筋混凝土的DN1800鋼管，設計最大水頭38.9 m，設計流量12 m3/s。引水涵洞出口控制部分采用DN1800手電兩用中心型蝶閥，其后采用DN1800波紋式補償器連接5 m短管，末端轉90后向下進入深井式消力池，最后進入渠道。

該水庫所在河流屬內陸區(qū)艾丁湖水系的一條山溪性小河溝，水庫位于出山口附近，流域平均坡度61.7‰，河長46 km，水庫以上控制面積為481 km2，流域平均高程2 664 m，其多年平均年徑流量約0.808 1×108m3，最大年徑流量為1.212×108m3，最小年徑流量為0.450 6×108m3，年徑流量變差系數(shù)Cv在0.20～0.23之間。河流主要由冰雪融水和夏季降雨補給，其中，降雨補給占77.3%，冰雪融水補給占12.3%，地下水補給量占10.4%。6-9月徑流量占年水量的80.4%。河流流經低山丘陵區(qū)時，河水滲漏嚴重，部分水量迅速轉化為地下水。河流實測最大流量為494 m3/s(1969年6月26日)。洪水時空分布很不均勻，主要為山區(qū)暴雨引發(fā)洪水。山洪來勢兇猛，夾雜著大量泥沙和漂浮物，傾瀉而下，水面流速可達7 m/s,洪水過程陡漲陡落、歷時較短、洪量不大、泥沙含量較大的特性。

河洪水成因：(1)山區(qū)降雨特別是高中山區(qū)大降雨形成的暴雨洪水；洪水特點是具有突發(fā)性，一般為獨立的峰形，無明顯的日變化，洪水過程陡漲陡落，峰高量小，歷時較短，多發(fā)生在6-7月份。(2)隨著氣溫逐漸上升冰川以及積雪融化，形成消融洪水；洪水過程具有明顯的日變化，與升溫過程關系密切，洪水歷時較長，峰不大，漲落平緩。(3)氣溫上升，加之大降雨形成暴雨，形成降水冰雪融水即混合性洪水。洪水特征具有明顯的日變化，洪水前期有數(shù)日高溫天氣，出現(xiàn)融(冰)雪洪水，后期遇降水天氣，從而形成洪水。河流洪水一般出現(xiàn)在6-8月份。各種頻率下的設計洪峰流量和各時段洪量值，其0.1%頻率的設計洪峰流量為933 m3/s，2%頻率的設計洪峰流量為466 m3/s(如圖1所示)。

圖1 水庫設計洪水過程線圖

該水庫主要向農業(yè)供水，典型年3月下旬至11月中旬為供水期。其中3月下旬至6月下旬、10-11月中旬DN1800蝶閥供水流量為0.3～4 m3/s，對應開度為0～20%，累計146 d；7-9月DN1800蝶閥供水流量為4～9 m3/s，對應開度為20%～25%，累計92 d。6-8月為該水庫主汛期，每當50 m3/s以上的洪水來臨，都會攜帶大量樹干、樹枝和樹葉等雜物，雖然進水口設置有0.5 m*0.15 m凈空的水平攔污柵，仍然免不了洪水中雜物進入引水涵洞(如圖2所示)。

圖2 DN1800蝶閥特征曲線圖

2 出現(xiàn)的問題

在引水涵洞供水期間，DN1800蝶閥主要供水流量在0～4 m3/s，開度0～20%，正常使用半年中，DN1800蝶閥和配套波紋式補償器均存在較嚴重的振動現(xiàn)象。后期DN1800蝶閥出現(xiàn)故障，無法正常操作；補償器底部外層連接焊縫出現(xiàn)長32 cm開裂漏水，經測量后估算，最大漏水量約11 L/s，分水站房內形成1.2 m深的積水，采用水泵抽出，避免了分水站房機電設備遭受積水浸泡的嚴重后果，但蝶閥和配套波紋式補償器故障也嚴重影響了水庫供水工作。經聯(lián)系供貨人，將扇形齒輪、渦輪桿、電機等設備拆卸帶回廠進行維修檢查后，認為使用頻率較高，閉門力過大造成渦輪桿齒輪變形，并且與扇形齒輪間隙較大，極易在全閉時造成跳齒現(xiàn)象(如圖3所示)。

圖3 DN1800蝶閥現(xiàn)場

3 原因分析

(1)管道末端蝶閥全開時，復核計算過閥流速約10 m/s，遠超蝶閥安全限制流速5 m/s，也超出電驅動裝置設計驅動力矩，致使蝶閥失控；現(xiàn)有DN1800 波紋管伸縮節(jié)，由于復合金屬層破壞，補焊后金屬疲勞強度難以保證，復合層修復技術復雜，周期長綜合費效比高，且由于功能構造所限，流道不暢，高速水流易在波紋皺壁處形成局部氣蝕。

(2)洪水入庫造成水位迅速上漲，此時水庫也開始加大供水，豎井進水口會形成漩渦，洪水中攜帶的大量樹干樹枝等雜物，尤其是其中有的較長的樹干，在漩渦旋轉力作用下，原本水平的樹干逐漸發(fā)生豎向傾斜并隨著漩渦方向運動，最終進入引水涵洞。加之DN1800蝶閥開度較小，導致樹干樹枝等雜物卡在DN1800蝶閥閥板和閥體之間的間隙中，造成閥門調節(jié)開度時受阻嚴重不能關閉，改為手動操作閥門后，導致閥件損壞、操作失效。工程示例中，該水庫曾清理出卡阻在DN1800蝶閥閥板和閥體之間、長3 m的樹干，以及長1.2 m的短木和其他雜物。

(3)根據(jù)相關分析研究，在全開至半開(開度為100%～45%)狀態(tài)下，大口徑蝶閥過流性能較好。尤其是開度為66%以上時，流體流動隨開度增大穩(wěn)定性逐漸增強，閥板受力越均勻，流動擾動隨之減少。在閥門為半開(開度為45%)以及水流速度1 m/s條件下，閥板前、后分別形成了典型的高壓區(qū)、低壓區(qū)，閥板前后這種較大的壓力差會造成閥板整體受力不均勻；閥板和閥體之間的過流區(qū)水流，隨著流速逐漸變大，速度梯度也相應的變大，管壁受力也變大，在閥板下游面低壓區(qū)，加劇了流體從上方向下分流，部分流體從下方向上分流，極易形成旋渦現(xiàn)象；在水流速度3 m/s狀態(tài)下，較水流速度1 m/s狀態(tài)下的受力區(qū)域大差別較大，但壓力分布基本一致，蝶閥半開(開度45%)時，閥板受到的壓力場相對穩(wěn)定；高速場與低速場形態(tài)一致條件下，蝶閥閥板下游面的渦流區(qū)向外擴張明顯，閥板周圍的流程出現(xiàn)紊亂，閥板下游面的渦流區(qū)也變得更多、更清晰。閥板開度(開度為10%)時，流速分別在1 m/s和3 m/s狀態(tài)下，閥門開度較小，閥板上、下游面形成明顯的高壓區(qū)和低壓區(qū)，閥板受力較大，承受了較大沖擊；流速在1 m/s和3 m/s下，閥門開度越小，閥板下游面越容易形成渦流區(qū)，流速越大時，渦流區(qū)也相應變大，閥板下游面就越容易形成渦流區(qū)，對閥門的正常運行產生較大的影響。因此，蝶閥開度小于45%狀態(tài)下，隨著流速的增大，閥板下游面更容易形成漩渦區(qū)，水流在通過狹窄截面時產生的作用力也就越大，對閥壁沖擊更大，嚴重時會造成閥門不能正常運轉甚至損壞的情況。閥板開度小于33%時，流阻增大，能量損失也越大，不適宜蝶閥工作。

該水庫DN1800蝶閥選型較大，根據(jù)其流量特征曲線，最大過流達到32 m3/s，設計流量12 m3/s僅運行在開度45%以下，并且長期在開度30%以下工作，因此造成了嚴重的振動現(xiàn)象直至不能運行，同時也導致了下游伸縮節(jié)損壞漏水，對水庫供水產生了嚴重影響。

4 問題處理

現(xiàn)有蝶閥及伸縮節(jié)損壞的情況，均符合高速水流破壞的特征。因此，對現(xiàn)有蝶閥、伸縮節(jié)進行修復節(jié)進行修復，或更換同類或更換同類閥組均不能解決高速水流引起的各類問題。為滿足經常性調流需要，對市場活塞閥、錐形閥、套筒式多噴孔和淹沒式多噴孔等進行了對比(詳見表1)。

表1 設備對比

根據(jù)以上設備的對比，活塞閥和固定錐形閥運用工況滿足該水庫要求，其中固定錐形閥要求拆除的建筑物較多，綜合投資較大，工期較長，因此選擇結構尺寸較小的活塞閥。按本工程供水需求計算，初擬活塞式流量調節(jié)閥公稱通徑DN1400 mm，最大過閥流速約7.5 m/s，低于活塞閥安全控制流速9 m/s，閥前鋼管流速降低至約4.5 m/s，有利于鋼管長期可靠運行；依據(jù)水庫調度運行情況，水位變化情況，綜合考慮工業(yè)及灌溉引水涵洞流程，體型等因素造成的沿程阻力，疊加閥門關閉時產生的水擊壓力，初擬活塞式流量調節(jié)閥公稱壓力等級為DN0.6 MPa，閥體耐壓強度不低于0.9 MPa，密封壓力不低于0.72 MPa。

本工程鋼制管道較短，閥室基礎堅實，沉降可能性不大，伸縮節(jié)僅用于補償閥門安裝時的尺寸誤差，無角變位補償功能需要。為平順水流，將閥后鋼管段與閥組連成剛性整體，我院推薦伸縮節(jié)型式由波紋管更換為傳力型套筒伸縮節(jié)。公稱通徑及公稱壓力等級均與活塞式流量調節(jié)閥匹配。該水庫將DN1800蝶閥更換為DN1400活塞閥，將伸縮節(jié)安裝在閥前，并在閥后60 cm處設置兩根DN300的補氣鋼管。在閥前DN1800管道上方增設DN600的人孔，配合檢修閘門操作，進行閥前雜物清理。工程實例中，該水庫至少每年打開人孔對其中雜物進行清理一次?，F(xiàn)有DN1800 鋼管通過變徑管與新購置的DN1400 活塞式流量調節(jié)閥連接。變徑管為雙法蘭結構，工廠制造，減少現(xiàn)場施工難度，保證法蘭焊接質量?；钊搅髁空{節(jié)閥招標后，待我院復核該閥外形尺寸后，如滿足現(xiàn)有閥室安裝尺寸，則保留現(xiàn)有蝶閥上游側法蘭，變徑管直接與現(xiàn)有法蘭連接，進一步減少技改切割與焊接工程量。閥室出口DN1800 鋼管維持現(xiàn)狀，其內部套裝DN1400 短鋼管，與活塞式流量調節(jié)閥連接，將水流導出至引水渠。增設活塞式流量調節(jié)閥后補氣管，以減輕閥后紊流對鋼管的氣蝕和磨蝕，延長鋼管使用壽命。閥室內現(xiàn)有各支墩維持現(xiàn)狀，并依據(jù)新購置活塞式流量調節(jié)閥支撐位置增加相應高度，鋪設鋼板，與活塞式流量調節(jié)閥采用滑動連接，支墩僅承受閥體自重，不對閥門做軸向限位?；钊搅髁空{節(jié)閥關閉擋水時，產生的水推力經由上游側鋼管傳至鎮(zhèn)墩承擔。

5 結語

通過以上技術改造后，活塞閥運行平穩(wěn)，再未出現(xiàn)閥件和伸縮節(jié)問題，保證了該水庫大壩的安全和運行穩(wěn)定，保證了水庫供水安全，正常發(fā)揮供水效率。